刘凤凤

摘 要：混凝土作为现代建筑工程不可或缺的原材料成为提升建筑质量的重要保证，混凝土构件普遍面临工程裂缝这一常见问题，而建筑物的安全性能受到混凝土裂缝深度的直接影响，为此，本文主要针对混凝土裂缝深度检测方法进行了研究，设计了一种裂缝深度无损检测方案，主要使用穿透力较强的超声波完成有效的检测过程，对不超过50mm的裂缝深度使用超声波时距检测法完成具体的分析计算过程，最终获取了较为精确的50mm以下裂缝深度的计算结果。

关键词：混凝土裂缝;深度检测;无损检测;超声时距检测法;实现路径

中图分类号：TU755.7             文献标识码：A         文章编号：1001-5922（2020）10-0115-04

Abstract：Concrete is an indispensable raw material for modern construction engineering and becomes an important guarantee for improving building quality. Concrete members are generally faced with the common problem of engineering cracks， and the safety performance of buildings is directly affected by the depth of concrete cracks. The concrete crack depth detection method was studied， and a crack depth non-destructive detection scheme was designed. The ultrasonic wave with strong penetration was used to complete the effective detection process. For the crack depth of not more than 50mm， the ultrasonic time interval detection method was used to complete the specific analysis and calculation process， and finally obtained a more accurate calculation result of crack depth below 50mm.

Key words：concrete cracks; depth inspection; non-destructive inspection; ultrasonic time interval detection method; realization path

0 引言

蓬勃发展的城市化进程促使相关土木工程建设项目不断增加，基础设施等建筑的投资体量逐年增加，促使混凝土结构的应用范围不断扩大，结构健康始终是国计民生的重要构成，极易对建筑安全造成威胁，而在实际施工及使用过程中影响混凝土结构的因素较多，不同建筑通常需使用不同的混凝土结构，混凝土产生裂缝后将降低其承载力、耐久性、抗渗性等性能，对建筑工程及混凝土结构安全带来不同程度的威胁，造成混凝土裂缝的原因不尽相同，因此如何设计实现一种有效的混凝土裂缝深度检测方法以便据此分析获取混凝土产生裂缝的原因及有针对性的防治措施是目前建筑领域的研究热点。

1 现状分析

结构质量（包括损坏程度和耐久性等）的一项重要评价指标即为工程结构表面裂缝，在各类工程建设中（包括土木工程建筑及社会基础设施等）混凝土结构是不可缺少的构成部分，不断发展和提高的工程建设要求对建筑物使用寿命及经济成本的重视程度不断提高，这就对混凝土裂缝的检测方法提出了更高的要求，前期的混凝土裂缝检测是评定与计量混凝土质量情况的有效途径，也是研究裂缝形成原因、实施有针对性修补方案的基础，从而提升整体建筑的安全性能[1]。目前检测混凝土裂缝方法包含多种，传统以人工检查方式为主的裂缝检测方法在实践中仍然较为常用，因检测标准不统一（主要由人工主观判断导致）而造成检测结果出现偏差，但因存在劳动强度大、耗时久、工作成本高、检测效率及准确率不高、难以快速及时掌握結构信息等方面的问题和不足而难以满足现代检测需求，结构表面缺陷检测的自动化及智能化有待提高，是工程实践亟待解决的问题。促使超声波检测和冲击弹性波检测等现代检测方法快速发展成为常用方法，结合数字图像处理技术的裂缝检测方法具有较高的应用和研究价值，并已取得了一定成果，例如，R.Jones、Leslie、CHeesman等人已经使用超声波法成功完成了混凝土结构的检测，针对混凝土裂缝位置和深度Chi-Won In等人已做了详细研究，林维正、童年等人详细研究了检测间距、裂缝深度检测同超声波首波反相间的关系。超声波平测法适用于50～250mm区间内的混凝土裂缝检测，但对裂缝深度不超过50mm的混凝土的检测准确度有待提高[1]。为此文章在现有研究成果基础上，针对不同的检测距离和混凝土裂缝深度（50mm以下），结合运用超声波时距检测法及超声波首波反相前后的波形进一步优化了裂缝深度的检测方法。

2 混凝土裂缝深度检测原理

在对混凝土裂缝使用超声波进行检测时，对超声波信号的声学参数（传播于混凝土内部，包括主频率、波幅、传播声速和声时等）通过使用超声波检测仪（能够显示波形）进行测试和分析实现声学参数变化情况的准确获取，并在此基础上完成混凝土裂缝深度的计算。检测距离在实际检测混凝土裂缝涉及到跨缝时会受到混凝土裂缝深度不同程度的影响，超声波因传播于过长的检测距离其能量会逐渐减弱，造成分析和计算后续波形产生一定的误差;并且超声波波形因受到过小的收发换能器间距的影响而易出现严重畸变的情况，导致裂缝深度测量结果的准确性降低（由增大的声时测量误差引起）。所以检测混凝土裂缝深度时需确保选取的检测间距合适，基于时距法的HC超声波检测仪在裂缝对称的两侧放置T、R换能器[2]，如图 1所示。

采用平测法（国内CECS21：2000）检测裂缝时，检测强度相同的不同试块时可能会出现不同的内部声速值，采用同一声速值则易导致计算结果出现误差（受声速差异的影响），如果在计算时以求取的传播于各块试块的声速值为依据则会导致检测过程计算的复杂程度明显增加。检测时通过BS-1881法（英国标准）的使用可在降低测试复杂性的同时，使计算结果受到不同声速值的影响问题得到有效避免[3]。超声波在裂缝试块中传播耗时通过检测不同检测距离的两个裂缝测点完成读取过程，假设，第1个和第2个测点检测距离分别由S 1和S 2表示（单位mm），第1个和第2个测点的检测声时值分别由t1和t2 表示（单位μs），检测距离增量由d表示（单位mm），传播声时、检测距离、裂缝深度的计算表达式如下，S2 =2S1 时对应BS-1881标准法[4]。

3 检测实验设计

3.1 实验仪器及材料

文章使用的检测仪器如图 2 所示，在设计检测实验时组成实验设备的实验仪器主要包括多功能超声波检测仪主机HC-U8 、探测装置连接线、一组平面换能器（单一换能器具有互换性，可作为发射信号和接收信号的介质），检测仪主机的发射接口和接收 1（或接收 2）接口分别通过探测装置连接线连接两只换能器。检测实验采用已制作好的裂缝不超过50mm的混凝土试块作为实验对象，混凝土构件产生的裂缝通过液压机挤压放置在混凝土试块表上的钢筋实现，本实验采用预埋长和厚分别为300和0. 5的钢板（宽为15、20、30、40、50，单位mm）制作试块，取出试块初凝后的钢板，在裂缝底端两侧伸入细钢丝通过左右拉动完成对裂缝底端的打磨，从而影响避免裂缝底端受到试块内部压力的影响而出现轻度合拢，以确保试块平整[5]。在浇灌混凝土时受到其不均匀表面的影响会出现高出模具的裂缝深度，为使试块达到裂缝深度要求，需使用打磨工具完成光滑性打磨试块表面处理（根据试块侧面裂缝深度），同时注意祛除裂缝中的细小灰尘（可使用打气泵和气枪完成），最终完成不同深度裂缝试块的制作，此种裂缝可使裂缝检测的误差（主要由试块内部及侧面裂缝的分支深度和长度不同导致）得到有效避免。试块及检测网格如图 3 所示，考虑到混凝土裂缝的深度检测受到测试间距的影响较大，将各混凝土试块根据换能器探头大小绘制方格网（以试块裂缝为对称轴，方格尺寸为25mm×25mm），在此基础上完成检测点的布置，从而使由过大或过小检测间距导致的检测误差得到有效避免[6]。

3.2 混凝土裂缝数据采集

裂缝检测实验中的各组试块均布置了3对初始检测距离为50mm的测点，在检测时以放置换能器的两个测点（对称）跨缝边对边的距离为依据计算各对测点间距，检测间距增量d分别设置为25mm、50mm和100mm（根据超声波裂缝缺陷检测规范），计算裂缝深度时使用的声时值对应测点的波形声时值为前后两次出现波形反相的情况，因此采集数据前需先判断超声波仪器的零声时值t 0，保持抹允耦合剂的T、R换能器底部处于相对接触的状态，读取此时检测仪上的声时值（即零声时值）[7]。采集数据时，为保持压力不变，用手紧压已涂匀适量耦合剂的试块待测点的平面换能器。观察显示器上的相关参数波动情况（包括波形、采集的声时等），对于趋稳的波形停止采集并保存，采集3次同一试块的等间距测点数据（位置不同），移动换能器至下一对检测点继续采集数据，采用超声波数据处理软件读取所获取的1组检测数据的相应声时值t，30mm裂缝深度在50mm和100mm的测距增量下的波形图如图4、图5所示（检测距离50mm、100mm和50mm、150mm），各混凝土试块的裂缝声时值通过在波形处理软件中输入采集的数据获取，50mm和100mm间距增量的波形图均有首波反相出现，据此计算裂缝深度。50mm、100mm间距增量的裂缝的传播声时分别为27.5μs和39μs、26.5μs和50.5μs。超声波波形在有裂缝时会发生变形（后续波由强变弱不稳定） [8]。

4 混凝土裂缝深度计算

仪器从发射到接受到超声信号的耗时对应为仪器声时读数（由t表示），实际超声波在试块中传播的耗时对应为实际声时读数（由t1表示），即仪器声时读数减去零声时值t0（在导线与传感器中传播耗时），混凝土试块裂缝深度以实际声时读数为依据计算获取[9]。以计算300mm×150mm×150mm的混凝土试块裂缝深度（实际深度为30mm）为例，首对测点测距和测距增量均为50mm，t的读数分别为27.5μs和39μs，减去4μs的零声时值得到的t1和t2的数值分别为23.5μs和35μs;下一对测点的测距和测距增量分别为50mm和100mm，t1=26.5μs、t2=50.5μs。观察测距增量可知首对测点满足BS-1881的测距条件（S2=2S1），直接带入上文公式可得裂缝深度=30.24mm。同理求得另一对测点的裂缝深度=30.06mm。表1为上述方法获取的试块（300×150×150mm3）不同裂缝深度，比较计算值和实际缝深值可知使用超声波时距法可时不超过50mm的裂缝深度的计算精度得到有效提高。试块4裂缝检测声时值超过5的原因可能是受到人为因素的影响导致所制作试块的内部不密实，减小了波速、导致传播声时较大。但实验计算结果表明此处使用文章检测方法仍获得了较高的精确性。

图6为绘制的裂缝误差变化曲线（x轴对应试块编号、y轴分别对应两组测试误差），利用文章检测法对不超过50mm的裂缝测试点的绝对误差可控制在5%以下，只有试块1的第二组测试误差稍高。此处受到裂缝深度较浅的影响，检测值与同实际深度的误差值偏大（相差0.98mm），仍然在实际建筑工程检测误差的允许范围内（不超过1mm），更好的满足了较小混凝土裂缝深度的计算精度需求，验证了使用超声波跨缝平测法的可行性。为提高实验数据的准确性，需要注意实验时需尽量保持各测距的等幅读数，检测的测距较长时需尽量控制施加到两个换能器上的压力不变;出现首波波形变形时尽量避免采集无法识别的无效数据，以避免发生丢波现象降低采集数据的精确度。重复检测某一组出现异常数据对应间距的不同测点找出异常原因[10]。

5 结语

文章针对混凝土50mm以下的裂缝深度采用超声波检测技术完成检测评定过程，使裂缝深度情况得到有效反映，并且该结果同裂缝试块预留深度的误差不超过5%。由于文章实验裂缝深度较为单一，该方法仍然有待进一步完善，以满足实际检验中对存在树状分枝的裂缝的检测需求。

参考文献

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